1 前言

　　合理选择电机的轴承是电机设计过程中的一个重要环节，同时也对机组的安全运行有着十分重要的作用。本文对该台 6000kW 卧式冲击发电机在选用轴承过程中，所发生的一些问题进行了讨论，分析其中的一些原因，说明选用轴承的成功与否对机组运行的影响及合理选择轴承型式的重要意义。

　　2 电机结构及轴承参数这台 6000kW 的卧式冲击式发电机，采用座式径向圆柱轴承支撑结构。轴承布置在电机定转子两侧，轴承外侧一端悬挂转轮，发电机侧轴承外端装有φ2400mm 的飞轮，参考结构如图 1 所示。

　　额定容量：P 6 MW额定转速：N r 600 r/min支撑形式：卧式两导轴承直径：φ500mm（水轮机侧）/φ450 mm（发电机侧）转子重量：28508kg飞轮重量：5500kg该电机轴承是在参考了与国外合作生产的大型轧钢电机所使用的新式轴承结构基础上选用的，具体结构 .这种型式的轴承在国内从 90 年代中期开始已经广泛用于轧钢电机生产线上，应该说是比较成功的。根据发电机的转速、轴承受力，以及具体的结构要求，再结合已经运行的轧钢电机所使用的轴承运行情况，最终设计人员选用了轧钢电机所采用的轴承形式作为 6000kW 卧式发电机的导轴承。

　　3 解决瓦温异常升高问题所采取的一些措施此台发电机所采用的轴瓦型式，是目前轧钢电机普遍采用的新型轴瓦，相近转速、相近容量的电动机实际运行的经验也很多。技术人员在讨论瓦温异常升高的原因时，基本都是从此台发电机本身的结构和具体的运行状态来进行的。

　　3.1 增加轴瓦的有效承载面积最初分析是建立在机组去掉飞轮后，就可以带负荷运行这一基点上。一般认为瓦温异常升高可能与转子本身的重量（含飞轮）有关，即轴瓦设计过程中所选择的比压值。但按照已运行的轧钢电机和其他相类似的卧式发电机，与此台发电机类似比压的轴瓦都可以安全运行。所以对是否是轴承的比压高引起瓦温升高，当时的观点还不尽相同，但减小轴瓦的比压会对降低瓦温有作用这一点大家都认同。因此，根据几次专家讨论会议的意见，决定在原有瓦结构不变的情况下，对轴瓦的承压面进行调整，取消了原轴瓦两侧的回油槽，并减小原结构中的倒角尺寸，把轴瓦的承压宽度从原来的 240mm调整至 332mm，这样把轴瓦的比压也从原来的 1.37MPa 降至 1.1MPa.但比压降低后却没有改善运行的状况，轴瓦的温升仍然过高。

　　3.2 改变瓦的宽径比关于宽径比的问题，也是从轴瓦设计的角度上考虑的，它与轴瓦的比压有一定的关联，是从瓦面宽度与轴瓦直径关系上考虑的。实际上在轴径不变的情况下增加宽径比，就等于增加轴瓦接触面的宽度，从而会相应地减小轴瓦的比压。原轴瓦的宽径比为 0.57，按照正常设计的规范略偏低。从理论计算上，经过改进后轴瓦的宽径比为 0.72，也是在轴瓦设计规范的允许值内，比较适中，并不存在着明显的问题。当时，争论最大的就是要重新设计新的轴承，把轴的宽径比增加到 1，但并不是宽径比越大对运行越有利。从以往运行的实际经验看，有些机组的比压为 1.7MPa，宽径比在 0.7 左右，运行情况良好，因此说只有合适的宽径比才能保证电机稳定地运行。

　　3.3 改变润滑油的粘度在分析了轴承的比压和宽径比的原因后，在现有的轴瓦结构上尽管做了相应的改进，但仍然没有解决瓦温升高的问题。此时又从该轴瓦是否能有效地建立起运行所需要的油膜来考虑。从理论计算上，在不同的载荷下轴瓦的油膜厚度是 0.06～0.08mm，完全可以满足正常运行，但设计人员还是从影响油膜建立的各种因素方面去进行分析，从而找出能够改善油膜的途径。其中之一是提高润滑油的粘度，因此根据一些专家的意见及建议可以改用粘度更高的透平油，来增大轴承运行的油膜。同时也认识到粘度的增加，会相应增加摩擦损耗，有可能提高运行瓦的温度，但权衡利弊，还是认为建立起油膜对运行更为重要。在将润滑油从 L-TSA32 汽轮机油更换为 L-TSA46 汽轮机油后，并没有取得预料中的结果。当时，认为还应该继续增大润滑油的粘度，建议选用 L-TSA68 汽轮机油，后来由于各种原因没有实现。但从实际的效果看，提高油的粘度对改善运行的状况并没有任何效果。

　　3.4 瓦面材料在轴瓦温度异常升高的过程中，每次拆机都伴随着瓦面出现灼伤的情况，甚至出现大面积烧瓦的现象，这也引起一部分人对钨金瓦材料的关注，是否是由于4钨金瓦的成分不合适，造成瓦面的烧伤。通过现场利用刮研轴瓦取沫化验成分，没有发现异常，又对轴瓦的浇注过程进行了跟踪，也没有发现异常的情况，对钨金材料的问题，最后结论认定是合格的。

　　3.5 润滑油冷却效果分析轴瓦运行中温度异常升高，是否由于冷却的效果不好，导致轴瓦在运行过程中所产生的摩擦损耗带来的热量没有及时地被带走，从而使轴瓦温度持续升高，对此从进出油的温差对比来进行分析，从而也对冷却器的效率和冷却的效果进行了验证。首先检查冷却循环回路是否合理，冷却器出油和回油的容量是否满足需要，冷却器内部设计结构是否合理，热交换是否充分等。在仔细地分析了冷却器构造和冷却回路及进出油路后，除对回油箱的容积大小有不同看法外，其他也没有找出不合理之处。其中认为回油箱容积大一些，会有利于回油的冷却，进而提高系统的冷却效果。

　　在排除了冷却器的影响后，又考虑是否是轴承座轴瓦腔内供油不足或油路不畅，检查供油系统所使用的油泵，按流量计算，可以满足。关于轴承座和轴瓦内的冷却油回路，先是从原来设有的泄油孔考虑，是否是因为回油过快，而没有使冷却油在轴瓦内充分地吸收轴与瓦摩擦所产生的热量。基于这样的考虑，把原有的泄油孔堵上 50％，运行后观察进出油的温差，发现有变化，但变化不明显。后来还适当地采取措施提升了轴承座内冷却油回油的油面高度，也没有改变瓦温异常升高的问题。

　　在分析了进油量的变化后，对进油的方式又有了新的认识。此电机原来采用的轴瓦是轧钢电机所使用的轴瓦，与以往电机所使用的传统轴瓦不同的是，它的上下两个半瓦都是全部与轴相包容的，而传统电机的上瓦有很宽的周向油沟，且冷却油是由油沟处进入，直接浇在旋转的转轴上，这样可以较大面积地使冷却油与转轴相接触，从而带走转轴表面的热量。另外轧钢电机所使用的轴瓦，多采用静压轴承，一方面满足低转速正反转运行条件，同时减少摩擦损耗，提高动态特性。而电机的低压进油主要是满足冷却的需要，它是从瓦的侧面进油，冷却油沿着转轴旋转的方向进入瓦与轴间的间隙内，形成较薄的油膜，既起到润滑的作用，又带走转轴表面的热量。相比而言，从冷却的角度看，在没有高压顶起的情况下，传统轴瓦要明显优于轧钢电机所使用的轴瓦。为了对比传统轴瓦与轧钢电机轴瓦的冷却效果，还组织人员到国内相关电站进行考察，按照类似的结构和容量进行考察，对传统轴瓦的冷却效果给予了肯定。通过实例分析，专家一致认为要采用上瓦带空腔的轴瓦，把原来的轴瓦的上半瓦按传统轴瓦的形式进行改造，进油的方式也改为由上瓦的顶部经空腔直接浇在转轴上。 通过变更进油的方式，加大了冷却的效率，对转轴的冷却有比较明显的效果，反映在进出油的温差上，也有了很大的变化。但尽管如此，轴瓦在运行过程中仍然还出现瓦温升高和灼烧瓦面的情况。

　　3.6 对瓦面形状的考虑在采取了众多的措施后，仍不能解决轴瓦在运行过程中瓦温突然会升高且伴随着烧伤瓦面的问题。回顾整个修理过程中的每一个环节发现，刮研过的轴瓦曾使机组运行了很长一段时间没出现瓦温升高的情况。经验表明，瓦面处理采用适当的包角，可以使轴瓦形成更好的油腔，来保证润滑及冷却的效果。因此，决定改变轴瓦的包角来进行修理轴瓦的试验。当时一种观点认为包角应该大，105°～110°为适宜，还有一种认为包角小好，应在 70°左右。为了验证改变包角的作用，两种角度都进行了试验，试验的结果并没有完全一致结论，两种包角可能各有各的作用，但在此台发电机上，通过包角大小的调整，还是无法解决瓦温升高的问题。

　　3.7 飞轮的影响由于在轴瓦采取措施不能有效地解决轴瓦发热问题，开始提出减轻转轴重量的建议。一种办法是重新设计转轴，另一种建议是减轻飞轮重量。因为大家都认为转轴重量重是造成轴瓦承载大，产生的摩擦和损耗大的原因。所以减轻转轴重量就能够有效地抑制瓦温的升高。重新设计和制造转轴时间周期长，改造现有飞轮有一定的可行性。大幅度地减轻飞轮的重量是最简单的办法，但减多少适宜，也没有明确的量级概念。另外由设计院确定的调保计算给出的飞轮重量，设计院方面不同意大幅度地减轻飞轮重量，少量地减轻飞轮重量又担心起不到作用。适当增大飞轮旋转的直径，减薄飞轮，曾作为当时考虑的一种最合适的解决办法。考虑到结构和周期的原因，改变飞轮重量和尺寸的想法最终没有实施。

　　4 最终解决的办法通过多次试验，在现场观察到，机组在停机过程中，由于飞轮的惯性作用，转轴在停机瞬间，并不像其他的电机会迅速停止转动，而是惰转近 1min 的时间。会不会是在出现转轴惰转的过程中，使轴瓦出现一些异常的变化？最通常的考虑是在隋转的过程中，轴瓦是否还能在与轴间形成油膜？转轴在惰转的过程中，与轴瓦瓦面间的摩擦会引起什么问题？有一种可能是，在每次停机的过程中，由于转轴与轴瓦间缺少润滑油而使得瓦面发生干磨的情况，这种干磨使得轴瓦的瓦面出现微小的变化，达到一定程度后，就会造成瓦面烧伤而导致瓦温突然升高。

　　事实上，该发电机无辅助的制动装置，机组停机过程中，由于飞轮的惯性作用，造成了停机的过程较长。从理论上讲，当电机转速低于 20％额定转速时，对座式轴承很难形成稳定的油膜。基于这样一种考虑，专家们一致认为，在缺少润滑油膜的情况下，转轴的隋转过程，会在钨金瓦面留下微小的损伤，随着时间的推移，积小伤为大伤，造成个别点的烧伤，从而使瓦温出现突然升高的现象。

　　为了解决这一问题，根据目前所采用的各种轴瓦的使用经验，一种办法是增加高压顶起装置，使转轴在任何情况下，都能与轴承瓦的瓦面有油膜存在，确保轴瓦的在油润滑状态下运行。另一种办法是从轴瓦材料上考虑，采取带自润滑作用的轴瓦，这也是目前比较流行的一种新方法。有带石墨自润滑的瓦，也有用非金属材料作为瓦面的瓦，如塑料瓦。作为哈尔滨电机厂有限责任公司，在平面瓦上有采用塑料瓦作为瓦面材料的经验，但应用在电机的座式轴承上，还没有很成熟的经验。塑料瓦生产厂家提供的信息是可以生产卧式电机所用的圆形轴瓦，而且也有比较多的应用业绩。在紧急情况下，按原钨金瓦的图纸定做了两副塑料瓦，安装作用后，一切正常，机组带满负荷运行，瓦温在 60℃左右。至此历经两年多的该发电机运行中瓦温升高的问题得到了彻底的解决。

　　5 结论在这起轴瓦的事故中，最初选用轧钢电机所使用的轴瓦，仅仅是从转速和容量等一些常规的技术参数去考虑的，但并没有把带飞轮及不对称冲击转轮所产生的杠杆作用的因素作为一种特殊条件进行考虑，从而导致由于飞轮在隋转过程中，使轴瓦瓦面产生积累性损伤，当这种损伤达到一定程度后，就对轴瓦产生破坏性的作用，从而发生轴瓦运行过程中突然瓦温升高。实际上，在最初选型上，应用于轧钢电机上的这种轴瓦，在轧钢电机的应用中，还有一项辅助的供油方式，即采用的是高压顶起装置，这是为了防止在起停机及正反转的过程中，发生转轴与瓦之间建立不了动压油膜，并减少摩擦损耗而配置的。对于配置高压顶起装置的作用，选用者没有真正体会到原设计者其真正的用意。而是认为此发电机在运行工况和受力方面，远远比轧钢电机的情况要好得多，因此认为没有必要采用高压顶起装置，这只是单从机组布置的角度上去考虑，更简洁和紧凑而已。事实证明，既使是没有飞轮装置，对于这种转轴重量比较重的电机，在起动和停机过程中，也可能会出现对轴瓦瓦面的轻微磨损，只是这种磨损目前还不能用具体的量级指标来描述。

　　另外，在卧式电机设计中，对于存在电机在停机过程中有隋转时间较长的情况时，有必要采用有效的措施来解决转轴与钨金轴瓦间半干摩擦和干摩擦的问题。或采用辅助供油装置，即配备高压顶起装置，或采用带有自润滑功能的轴瓦。带有自润滑特性的轴瓦可以保证电机在短时断油的情况下，仍然可以维持电机的正常运行。